WO1996012888A1 - Düsenanordnung für eine freistrahlwasserturbine - Google Patents

Düsenanordnung für eine freistrahlwasserturbine Download PDF

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    • F03B1/04—Nozzles; Nozzle-carrying members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F01D1/026—Impact turbines with buckets, i.e. impulse turbines, e.g. Pelton turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/18—Final actuators arranged in stator parts varying effective number of nozzles or guide conduits, e.g. sequentially operable valves for steam turbines
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a free jet water turbine for outputs greater than 1 kilowatt, in particular a Pelton turbine, with a bucket wheel and with a plurality of injection nozzles arranged on its circumference, which are offset with respect to one another by an offset angle ⁇ with their nozzle center lines.
  • Free jet water turbines are usually coupled to an electrical generator for generating electricity, the turbine shaft and generator shaft being connected to one another. That In the case of a free jet turbine, the turbine wheel can sit on the generator shaft and rotate freely in the air in a housing. Depending on the flow rate, from 1 to 6 injection nozzles with the water from a pressure pipe on a medium one
  • the adjustable needle nozzles are evenly offset over the circumference, ie the offset angle of the nozzles of a 4-nozzle arrangement, for example, is practically always 90 °.
  • the center line of the nozzles lies in the plane of the axial center of the turbine wheel, so that the water jet runs evenly into both cups of a pair and is deflected evenly by almost 180 ° on both sides (J. Raabe; "Hydraulische Maschinen und Anlagen”; VDI Verlag; 2. Edition; Düsseldorf 1989; pp. 453 ff.).
  • the speed of the turbine must be as high as possible. At a given water jet speed, this can only be achieved with a small turbine diameter.
  • the shaft to the generator is usually horizontal.
  • a second impeller with a 2-nozzle injection system for example, is also mounted on the same shaft (see, for example, TIWAG's Achensee power plant in Tyrol). Only in the case of very large systems and at least 4 injection nozzles does one proceed to the technically complex but streamlined generator shaft (see, for example, the Silz power plant from TIWAG; Tyrol).
  • the object of the invention is to improve the field of application of the turbine impeller. This object is achieved in that there is at least one offset angle ⁇ between the injection nozzles, which is 44 ° or less.
  • Another advantage is the lower noise level.
  • the particularly noise-intensive cutting of the water jet through the front cutting edge of an empty cup only takes place once per nozzle group and no longer for each nozzle.
  • Several such Nozzle groups can be distributed around the circumference so that the radial forces in the turbine bearing largely cancel each other out.
  • the arrangement according to the invention allows the turbine to be subjected to a high level of water, since the small offset angle enables up to 12 injection nozzles to be distributed over the circumference of the turbine, the shaft then having to be arranged vertically. Especially with strongly fluctuating amounts of water, the free jet wheel with the injection system would after this
  • Another advantage is the simplification of the water supply and the jet printer.
  • the feed tube is shorter and the curvatures are weaker, which improves nozzle efficiency.
  • the space requirement of the injection system is significantly reduced and the mechanism for regulating the nozzle is close together.
  • the injection nozzles follow each other so closely in a "nozzle group" that the cup fills up when the first water jet engages, but is then already acted upon by the subsequent injection nozzle when the cup empties the water from the first injection nozzle (Fig. 3).
  • the offset angle ⁇ of the nozzle center lines is chosen so that the envelope curve of the combined water exposure represents a constant top curve. This is achieved at ⁇ «30 °.
  • a conventional needle nozzle is used as the injection nozzle.
  • the nozzle center lines affect the usual jet circle diameter of the turbine D s (ie no changes have to be made to the turbine).
  • the feed pipe 6 to each nozzle group now consists of a single curved pipe end 8, which tapers in the direction of flow.
  • the individual nozzle necks are welded onto this pipe section as usual.

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Abstract

Die Erfindung handelt von einer Freistrahlwasserturbine für Leistungen grösser als 1 Kilowatt, insbesondere von einer Peltonturbine, mit einem Becherrad und mit mehreren an dessen Umfang angeordneten Einspritzdüsen (4, 5), die um einen Versetzungswinkel α zueinander versetzt sind. Solche Anlagen werden üblicherweise mit Versetzungswinkeln α = 90° gebaut, weil mit einer Verkleinerung des Versetzungswinkels der Wirkungsgrad abnimmt. Entgegen der landläufigen Meinung steigt der Wirkungsgrad jedoch wieder an, wenn der Versetzungswinkel noch kleiner als 45° gewählt wird, und es kann eine flache Wirkungsgradkurve mit hohen Wirkungsgraden über einen grossen Lastbereich erzeugt werden. Ausserdem ist eine höhere Beaufschlagung erreichbar, die bei gegebener Leistung zu geringeren Investitionskosten führt.

Description

DÜSENANORDNUNG FÜR EINE FREISTRAHLWASSERTURBINE
Die Erfindung handelt von einer Freistrahlwasserturbine für Leistungen grösser als 1 Kilowatt, insbesondere von einer Peltonturbine, mit einem Becherrad und mit mehreren an dessen Umfang angeordneten Einspritzdüsen, die um einen Versetzungswinkel α mit ihren Düsenmittellinien zueinander versetzt sind.
Freistrahlwasserturbinen sind in der Regel mit einem elektrischen Generator zur Stromerzeugung gekoppelt, wobei Turbinenwelle und Generatorwelle miteinander verbunden sind. D.h. bei einer Freistrahlturbine kann das Turbinenrad auf der Generatorwelle sitzen und frei in der Luft hängend in einem Gehäuse umlaufen. Es wird je nach Durchflussmenge von 1 bis 6 Einspritzdüsen mit dem Wasser aus einer Druckrohrleitung auf einem mittleren
Strahlkreisdurchroesser Ds tangential beaufschlagt. Die regelbaren Nadeldüsen sind gleichmässig über den Umfang versetzt angeordnet, d.h. der Versetzungswinkel der Düsen einer z.B. 4-düsigen Anordnung beträgt praktisch immer 90°. Die Mittellinie der Düsen liegt in der Ebene der axialen Turbinenradmitte, damit der Wasserstrahl gleichmässig in beide Becher eines Paares einläuft und zu beiden Seiten gleichmässig um fast 180° umgelenkt wird (J. Raabe; "Hydraulische Maschinen und Anlagen"; VDI Verlag; 2. Auflage; Düsseldorf 1989; S. 453 ff.). Um den Generator klein auszuführen, uss die Drehzahl der Turbine möglichst hoch sein. Bei gegebener Wasserstrahlgeschwindigkeit kann man dies nur durch einen kleinen Turbinendurchmesser erreichen. Um den Durchmesser der Freistrahlturbine relativ klein zu halten, führt man die Turbine ab einer bestimmten Durchflussmenge, bzw. ab einer spezifischen Drehzahl von nq = 10 mit einer 2-düsigen Einspritzanlage aus (nq = n • Q / H ; siehe J. Raabe; "Hydraulische Maschinen und Anlagen"; VDI Verlag; 2. Auflage; Düsseldorf 1989; S. 184 und S. 278). Die Welle zum Generator ist hierbei normalerweise liegend. Um noch grössere Wassermengen zu verarbeiten, wird zusätzlich ein zweites Laufrad mit einer z.B. 2-düsigen Einspritzanlage auf die gleiche Welle montiert (siehe z.B. Achenseekraftwerk der TIWAG; Tirol) . Nur bei sehr grossen Anlagen und mindestens 4 Einspritzdüsen geht man zur technisch aufwendigen aber strömungsgünstigen stehenden Generatorwelle über (siehe z.B. Kraftwerk Silz der TIWAG; Tirol) .
Die Erfindung hat die Aufgabe den Einsatzbereich des Turbinenlaufrades zu verbessern. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zwischen den Einspritzdüsen mindestens ein Versetzungswinkel α darunter ist, welcher 44° oder weniger beträgt.
Nach der bisherigen Lehre ist man der Annahme, dass sich das Wasser zweier Einspritzdüsen nicht stören darf. Dies gilt erwiesenermassen für die herkömmliche 6-düsige Turbine, bei der der Versetzungswinkel der Strahlen konstant 60° beträgt. Der Wirkungsgrad ist dabei nicht optimal, da das Restwasser des vorangehenden Strahles das Wasser des nachfolgenden Strahles unter dem Winkel von 60° trifft und relativ stark ablenkt. Es war daher die bisherige Lehre, die durch Versuche untermauert war, dass ausgehend von Versetzungswinkeln α um 90° mit einem Verkleinern des Versetzungswinkels auch die Wirkungsgrade schlechter werden.
Die Erfindung zeigt nun, dass bei einer weiteren Verkleinerung der Versetzungswinkel α keine stetige
Verschlechterung des Wirkungsgrades eintritt, sondern im Gegenteil, dass der Wirkungsgrad nach Unterschreiten eines bestimmten Versetzungwinkels α wieder auf hohe Werte ansteigt. Die Erklärung dazu liegt darin, dass sich die Strahlen bei kleiner werdenden Versetzungswinkel α schlussendlich zu einer Art Spiralströmung mit Radialkomponente vereinigen, etwa wie im Spiralgehäuse einer Francisturbine. Die Verluste der gegenseitigen Strahlablenkung werden kleiner. Gleichzeitig kann pro Becher eine höhere und mit weniger Verlusten behaftete Beaufschlagung erreicht werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 11 gezeigt. So ist es vorteilhaft, mehrere Einspritzdüsen in einer Düsengruppe mit kleinem Versetzungswinkel α zusammenzufassen, wobei ein Anstieg des Wirkungsgrades bereits mit Versetzungswinkeln von 38° und kleiner einsetzt, während ein Optimum zwischen 29° bis 20° beispielsweise bei 27° liegen kann. Die Düsengruppe an sich erhöht die Lebensdauer der Turbine, da die Turbinenbecher nicht mehr pro Düse einen
Lastwechsel erfahren, sondern nur noch pro Düsengruppe. Ermüdungsbrüche treten damit seltener auf.
Ein weiterer Vorteil ist die geringere Lärmentwicklung. Das besonders lärmintensive Anschneiden des Wasserstrahles durch die vordere Eintrittschneide eines leeren Bechers erfolgt nur noch einmal pro Düsengruppe und nicht mehr bei jeder Düse. Mehrere solcher Düsengruppen können so am Umfang verteilt werden, dass sich die Radialkräfte in der Turbinenlagerung weitgehend aufheben.
Die erfindungsgemässe Anordnung erlaubt eine hohe Wasserbeaufschlagung der Turbine, da durch den kleinen Versetzungswinkel bis zu 12 Einspritzdüsen über den Umfang der Turbine verteilt werden können, wobei die Welle dann senkrecht angeordnet sein müsste. Besonders bei stark schwankenden Wassermengen würde das Freistrahlrad mit der Einspritzanlage nach dieser
Erfindung den Francisturbinen-Langsamläufer bis zu einer spezifischen Drehzahl von nq « 35 Verdrängen.
Durch gezieltes Zu- und Wegschalten der jeweiligen äusseren Einspritzdüsen einer Düsengruppe verläuft der Wirkungsgrad fast über den gesamten Bereich der
WasserSchwankung vom eindüsigen Betrieb, d.h. von der Vollastwassermenge bei vier Düsen bis zur Vollast als sehr flache Kurve mit hohem Maximalwert.
Ein weiterer Vorteil ist die bauliche Vereinfachung der Wasserzuführung und der Strahlabdrucker. Die Zulaufröhre sind kürzer, und die Krümmungen sind schwächer, wodurch sich der Düsenwirkungsgrad verbessert. Der Platzbedarf der Einspritzanlage wird wesentlich reduziert und der Mechanismus zur Düsenregulierung liegt nahe beisammen.
Die hohe Wasserbeaufschlagung erlaubt es, mit einem
Turbinenrad wesentlich höhere Leistungen zu verarbeiten. Die bauseitigen Investitionen werden daher in der Turbinengrösse, im Platzbedarf und in der WasserZuführung auf die Leistung bezogen geringer. Anstatt einer für den Bereich nq = 14 bis 20 gewöhnlich 2-rädrigen Anlage mit je 2 Einspritzdüsen kann ohne aufwendige Ringleitung und stehende Welle eine einrädrige Anlage mit 4 Einspritzdüsen gebaut werden. Die Turbine kann unter Beibehaltung einer preisgünstigen liegenden Wellenanordnung von bis zu 6 Einspritzdüsen beaufschlagt werden. Es entstehen keine zusätzlichen
Ventilationsverluste oder Lagerreibungsverluste durch ein zweites Laufrad. Die bauliche Vereinfachung wurde oben erwähnt.
Bei einer herkömmlichen zweidüsigen Anlagen mit waagrechter Welle liegen die Rohrbögen der Wasserzuleitung meist nicht in einer Ebene, wodurch das Wasser in Rotation versetzt wird. Dieses weitbekannte Problem führt zur Zerstäubung des Freistrahls durch Zentripetalkräfte und damit zu einer Wirkungsgradverminderung. Bei der erfindungsgemässen Düsengruppe entfällt die starke Krümmung von der ersten zu den weiteren Düsen. Ausserdem ist die Zerstäubung des Strahles geringer, da sich die Rohrkrümmungen wegen des geringeren Bauraums meist in einer Ebene ausführen lassen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Schematisch ein Turbinenlaufrad, welches von einer 4-düsigen Düsengruppe beaufschlagt ist, deren Versetzungswinkel α = 27° beträgt.
Fig. 2 schematisch die anfallende Wassermenge Qß für einen Becher bei einer Umdrehung U von 360° und der herkömmlichen Beaufschlagung bei einer 4-düsigen Anlage mit einem Versetzungswinkel α = 90°, und
Fig. 3 schematisch die anfallende Wassermenge QB für einen Becher bei einer Umdrehung U von 360° und Beaufschlagung von einer 4-düsigen Düsengruppe, deren Versetzungswinkel α = 27° beträgt.
Der Gegenstand der Erfindung soll am Beispiel einer 4-düsigen Turbine erläutert werden:
Gewöhnlich beträgt der Versetzungswinkel der 4 Einspritzdüsen konstant α = 90°. Ein jeder Becher der Turbine füllt und entleert sich 4 mal pro Radumdrehung (= 360°, Fig. 2). Bei der erfindungsgemässen Anordnung folgen die Einspritzdüsen in einer "Düsengruppe" so eng aufeinander, dass der Becher sich beim Eingriff des ersten Wasserstrahles zuerst füllt, dann aber schon von der nachfolgenden Einspritzdüse beaufschlagt wird, wenn der Becher das Wasser der ersten Einspritzdüse entleert (Fig. 3) . Der Versetzungswinkel α der Düsenmittellinien wird so gewählt, dass die Hüllkurve der vereinigten Wasserbeaufschlagung eine möglichst konstante Oberkurve darstellt. Dies wird bei α « 30° erreicht.
Wenn alle 4 Düsen direkt hintereinander folgen, steigt die Wassermenge im Turbinenbecher also pro Radumdrehung nur einmal an und fällt nach dem vierten Düsenstrahl auch nur einmal ab.
Treten durch die Anordnung der Düsen in einer einzigen Düsengruppe zu hohe Biegemomente in der Welle auf, so kann man auch mehrere Düsengruppen gleichmässig über den Umfang verteilen. Es erfolgt dann eine Zunahme und eine Abnahme der Wassermenge pro Düsengruppe. Im Bereich um die maximale (volle) Becherbeaufschlagung arbeitet die Turbine mit dem bestem Wirkungsgrad, da der hydraulische Radius des Strahls rj-. dann am grössten ist (r - Wasserguerschnittsfläche / Reibflächenu fang; siehe "Hütte, des Ingenieurs Taschenbuch"; Verlag von Wilhelm Ernst & Sohn; 27. Auflage; Berlin 1941; S. 472 oder J. Raabe; "Hydraulische Maschinen und Anlagen"; VDI Verlage; 2. Auflage; Düsseldorf 1989; S. 808) . Die hydraulische Verlustleistung durch Reibung und Wirbelbildung im Becher ist dann im Verhältnis zur Impulskraft des Wassers am kleinsten. Die geringen Wassermengen beim Eintritt (E) und Austritt (A) des Strahles aus dem Becher (schraffierte Flächen (E) und (A) in Fig. 2) werden mit schlechterem Wirkungsgrad verarbeitet, da der Strahl hierbei flach über den Becher ausgeweitet ist. Seine Impulskraft ist im Verhältnis zur Reibfläche gering.
Dieser Anfangs- und Endbereich, bei dem der Wirkungsgrad schlecht ist, kommt bei der gewöhnlichen Düsenanordnung pro Düse einmal vor (im Beispiel der Fig. 2 genau acht mal) , bei der erfundenen Düsenanordnung jedoch nur einmal pro Düsengruppe (2 schraffierte Flächen (E) und (A) in Fig. 3).
Die erfindungsgemässe Vereinigung der Strahlen ergibt im Wassermengendiagramm (Fig. 3) eine konstante Oberkurve, was bedeutet, dass die Schaufel die grösste Wassermenge konstant über den ganzen Bereich der Düsengruppe mit bestem Wirkungsgrad verarbeitet. Dies bewirkt eine Verbesserung des hydraulischen Wirkungsgrades der Turbine.
Als Einspritzdüse wird eine herkömmliche Nadeldüse verwendet. Die Düsenmittellinien tangieren den gewöhnlichen Strahlkreisdurchmesser der Turbine Ds, (d.h. an der Turbine sind keine Veränderungen durchzuführen) . Das Zuleitungsrohr 6 zu jeder Düsengruppe besteht nun aus einem einzigen gekrümmten Rohrende 8, das sich in Fliessrichtung verjüngt. Die einzelnen Düsenhälse werden wie üblich an dieses Rohrstück angeschweisst. Bei einer Turbine mit einer spezifischen Drehzahl pro Düse von n qo = 3 (Langsamläufer) liegt der nach dieser Erfindung optimale Düsenversetzungswinkel bei α = 19° (nqo = n-Qa1'2 / H3' , wobei Qd der Durchfluss pro Düse ist; siehe J. Raabe; "Hydraulische Maschinen und Anlagen"; VDI Verlag; 2. Auflage; Düsseldorf 1989; S. 292). Für n qo = 7 wäre α = 27°, und für nqo = 11 wäre α = 35° der optimale Versetzungswinkel. Andere Winkel lassen sich hieraus für die jeweilige spezifische Drehzahl interpolieren.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die Anordnung der Einspritzdüsen. Die Turbine hat eine spezifische Drehzahl von nq = 14. Eine Turbine hat erfahrungsgemäss den besten Wirkungsgrad, wenn nqo « 7 ist. Aus der Formal nq = (i-D • i-R) - nqo (m t ΪD = Düsenzahl und iR = Räderzahl) ergibt sich eine günstige Anordnung, wenn man iß = 4 und iR = 1 wählt. Diese 4-düsige, einrädrige Anordnung wird erfindungsgemäεs mit einem Düsenversetzungswinkel von α = 27° konstruiert.

Claims

Patentansprüche
1. Freistrahlwasserturbine (1) für Leistungen grösser als 1 Kilowatt, insbesondere Peltonturbine, mit einem Becherrad (2) und mit mehreren an dessen Umfang angeordneten Einspritzdüsen (4) , die um einen Versetzungswinkel α mit ihren Düsenmittellinien (7) zueinander versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Versetzungswinkel α darunter ist, welcher 44° oder weniger beträgt.
2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Versetzungswinkel α darunter ist, welcher 38° oder weniger beträgt.
3. Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Versetzungswinkel α einem Wert von 29° bis 20°, vorzugsweise 27° entspricht.
4. Turbine nach einem der Ansprüche l bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einspritzdüsen (4) zu einer Düsengruppe angeordnet sind, welche über ein gemeinsames gekrümmtes Rohr (8) angespeist ist.
5. Turbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere solche Düsengruppen am Umfang verteilt sind.
6. Turbine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Einspritzdüsen (4) einzeln ab- und zuschaltbar sind, um die Leistung zu verändern.
7. Turbine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen von Einspritzdüsen (4) regelbar sind, um die Leistung zu verändern.
8. Turbine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Drehzahl pro Einspritzdüse nqo resp. D1/B2 zwischen den Werten 5 bis 11 liegt, und dass mindestens ein Versetzungswinkel α einem Wert zwischen 20° und 40° entspricht.
9. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Versetzungswinkel α zwischen zwei Einspritzdüsen (4) von 44° soweit gegen einen kleineren Wert verschoben ist, dass eine Hüllkurve der Becherbeaufschlagung zwischen diesen beiden Düsen um weniger als 50 % von einer vollen Beaufschlagung abfällt.
10. Freistrahlwasserturbine, insbesondere Peltonturbine mit einem Becherrad und mit mehreren an dessen Umfang angeordneten Einspritzdüsen, dadurch gekennzeichnet, dass acht Einspritzdüsen oder mehr gleichmässig am Umfang mit einem gleichen Versetzungswinkel α zueinander angeordnet sind.
11. Verfahren zum Betreiben einer Turbine (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Düsengruppe jeweils nur äussere
Einspritzdüsen (4) zugeschaltet oder weggeschaltet werden, um bei verändertem Leistungsbedarf in den Bereichen zwischen den momentanen aktiven Einspritzdüsen einer Gruppe eine Hüllkurve mit einer hohen Becherbeaufschlagung beizubehalten.
PCT/CH1995/000242 1994-10-25 1995-10-18 Düsenanordnung für eine freistrahlwasserturbine WO1996012888A1 (de)

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